Lab-on-a-chip

Biofotonisk sensorplattform for diagnostikk.

Tester for mange sykdommer samtidig

Legene kan stille riktig diagnose mye raskere dersom de har et mikrolaboratorium på kontoret som analyserer pasientens blodprøver på noen minutter.

Forskere i Trondheim og Oslo utvikler et laboratorium som bare er noen kvadratmillimeter stort. Likevel kan det avdekke en rekke ulike sykdommer fra den samme pasientprøven, enten den er fra blod, spytt eller urin.

Mikrolaboratoriet, også kalt lab-on-a-chip, suger inn pasientprøven gjennom tynne rør, bare noen ti-talls mikrometer tykke. Prøvene føres inn i små hulrom der overflaten er dekket av sensorer for ulike molekyler, tilpasset hvilke sykdommer legen vil sjekke.

Ved å lage alt i liten skala, kan en og samme brikke analysere mange stoffer i løpet av minutter. I dag må de sendes til et laboratorium og legen får ikke svar før etter mange timer og opptil flere dager.

I første omgang vil forskerne lage en prototype som tester for tre stoffer som brukes i analyser av blodprøver. En for betennelse fra bakterier eller virus, en for kreft og en for nyresvikt.

Målet er å lage en lab-on-a-chip som er så billig at den kan kastes etter bruk, slik at den kan brukes både på legekontorer og i den tredje verden.

I dette banebrytende prosjektet kombineres ekspertise fra medisin, bioteknologi, mikro-/nanofluidikk (hvordan væsken beveger seg) og nanofotonikk (lysfølsomme sensorer).

Prosjektet ledes av Institutt for elektroniske systemer ved NTNU. Partnere er Institutt for fysikk ved NTNU, Institutt for kreftforskning og molekylær medisin ved NTNU, Avdeling for Mikrosystemer og Nanoelektronikk (MiNaLab) ved SINTEF Digital, og Centre of Molecular Inflammation Research (CEMIR) ved NTNU/St. Olavs hospital.

Prosjektinformasjon

  • Kategori:
    Helse
  • Varighet:
    2016 - 2020
  • Støtte:
    22,8 mill. kr
  • Institusjon:
    NTNU

Prosjektleder

Astrid Aksnes

E-post: astrid.aksnes@ntnu.no

Profil

Partnere

SINTEF

  • Mer om prosjektet
  • Aktivitet
  • Publikasjoner
  • Deltakere

Biomarkører og nanosensorer på lab-on-a-chip

I prosjektet Lab-on-a-chip Biophotonic Sensor Platform for Diagnostics skal forskerne utvikle et medisinsk analyselaboratorium på en liten brikke, bare noen kvadratmillimeter stor. Det skal de få til ved å kombinere kunnskaper om medisin, biomarkører, sensorer i nanometerstørrelse, nanofluidikk og elektronikk.

Når en person er syk, inneholder blodet eller annen kroppsvæske flere proteiner som kan si noe om hva slags sykdom personen lider av, alt fra infeksjoner og kreft til nyresvikt. Ved å måle mengden av slike biomarkører kan legen få kvantitativ informasjon som hjelp til å stille diagnosen, og i tillegg kan målingene si noe om hvordan en behandling virker på pasienten.

I prosjektet skal forskerne miniatyrisere komponentene i analyseutstyret slik at sensorene kan plasseres på noen kvadratmillimeter stor brikke av silisium. Den kan inneholde et hundretalls sensorer der overflaten er behandlet slik at hver sensor bare reagerer på en bestemt biomarkør.

I første omgang skal forskerne lage en prototype som måler tre typiske biomarkører: C-reaktivt protein (CRP) som viser bakteriebetennelse i kroppen, lipokalin 2 (LCN2) som er en potensiell markør for nyresvikt, tumour nekrose factor (TNF) som er forhøyet ved betennelse i kroppen som ved leddgikt, og kan antyde utvikling av kreft på et tidlig stadium.

De tre utvalgte biomarkørene finnes i svært ulik mengde i blodet og dels i urin hos syke personer, fra noen mikrogram per milliliter helt ned til noen pikogram (billiondels gram), noe som krever veldig følsomt måleutstyr. Analyse av slike biomarkører gjøres idag i hovedsak i godt utstyrte laboratorier. De krever relativt store prøvevolum og det kan ta timer før svaret foreligger.

I prosjektet skal forskerne lage en demonstrasjonsbrikke på størrelse med et frimerke, der de minste komponentene er et par hundre nanometer store. Fordelen ved å lage laboratoriet så lite er at det trenger små prøvevolumer, rundt 15 mikroliter, og at analysene går raskt, fra umiddelbart til under 20 minutter for prøver som må forbehandles. På sikt vil brikken som utvikles kunne måle flere biomarkører samtidig fra samme prøvevolum.

Analysene fra brikken vil bli sammenliknet med det som er gullstandarden for blodprøver på sykehusene i dag – ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay).

Prosjektet skal utvikle alle de tre hoveddelene som integreres på en brikke:

  • Designe og produsere fotosensorer i nanometerstørrelse.
  • Funksjonalisere overflaten av sensorene med molekyler som fanger biomarkørene.
  • Designe og utvikle mikrokanalene som pasientprøvene skal gå gjennom.

Nanolab ved NTNU blir et viktig verktøy for å få til miniatyriseringen, etter hvert også MiNaLab hos SINTEF i Oslo.

Tverrfaglig

For å lykkes med en så dramatisk forminskning av «laboratoriet» samler prosjektet forskere fra ulike miljøer som fotonikk, funksjonalisering av nanomaterialer, bioteknologi, nanofluidikk, immunologi, betennelse og klinisk anvendelse.

Hvert fagområde har sin egen sjargong og selv samme faguttrykk kan oppfattes forskjellig. Gjennom flere todagers seminarer har prosjektdeltakerne fra de ulike fagområdene og institusjonene sittet sammen og laget spesifikasjoner for den fysiske prototypen av lab-on-a-chip. Samtidig har de lært mer om hverandres fagområder.

To doktorgradsstudenter og to postdoktorer er finansiert av prosjektet mens en doktorgradsstipendiat er finansiert av et annet prosjekt. Noen av dem sitter fysisk i samme miljø som doktorgradsstudentene og postdoktorene i et annet digitalt liv-prosjekt Dobbelt Intraperitoneal Kunstig Bukspyttkjertel. Flere av studentene er tilknyttet forskerskolen PhD network for nanotechnology and microsystems og Digital Life Research School.

Samfunnsansvarlig forskning og innovasjon (RRI)

Prosjektet samarbeider med Senter for Digitalt Liv Norge om RRI. Ønsket er å arrangere seminarer der pasienter med ulike lidelser og personell fra sykehuset kan møte alle prosjektene og gi synspunkter på dem når prosjektene er kommet lenger i utviklingen.

Visjonen er at lab-on-a-chip-prosjektet skal bidra til at analyseutstyret kan stå på ethvert legekontor og at brikkene blir så billige at de kan brukes som engangsutstyr.

Innovasjon

Lab-on-a-chip-prosjektet strekker teknologien til det ytterste. Fem år er derfor for kort tid til å utvikle disse banebrytende lab-on-a-chipene til kommersielle produkter. Men allerede nå etablerer prosjektet et rådgivningspanel med representanter fra industrien, flere med erfaring fra å starte bedrifter. De skal gi råd om hvordan resultatene kan tas videre.

Aktivitet

Publikasjoner


Se alle resultater i CRIStin-databasen

Deltakere

  • Reinold Ellingsen

    Reinold Ellingsen

    Senior Advisor, Dept. of Electronic Systems

    Member of APT's steering group. Sharing responsibility with APT members on sensor technology and development, including IP. Co-supervisor of PhD and post.doc within optical sensor technology.

    Se profil

  • Astrid Aksnes

    Astrid Aksnes

    Professor, Dept. of Electronic Systems

    Supervisor for PhD students and postdocs doing research on optical spectroscopy (Raman and mid-IR) of peritoneal fluid. Project leader for the DLN project 'Lab-on-a-chip biophotonic sensor platform for diagnostics'.

    Se profil

  • Dag Roar Hjelme

    Dag Roar Hjelme

    Professor, Institutt for elektroniske systemer

    Supervisor for PhD students doing research on optical spectroscopy of peritoneal fluid.

    Se profil

  • Nina Bjørk Arnfinnsdottir

    Nina Bjørk Arnfinnsdottir

    Post doc, Institutt for kreftforskning og molekylær medisin

    Arbeider med overflatefunksjonalisering av fotonisk biosensor for selektiv detektering av biomarkører.

  • Trude Helen Flo

    Trude Helen Flo

    Professor i cellebiologi og nestleder ved SFF-CEMIR (Centre of Molecular Inflammation Research), CEMIR og Institutt for kreftforskning og molekylær medisin

    Arbeidspakkeleder (WP4) med ansvar for testing av sensoren og sammenlikning med kommersielt tilgjengelige og sammenliknbare metoder for måling av target biomarkørene (TNF, Lcn2, CRP).

  • Kay Gastinger

    Kay Gastinger

    Direktør, NanoLab

    Prosjektmedarbeider innen optisk sensorteknologi, formidling og utnyttelse av resultat.

  • Jens Høvik

    Jens Høvik

    Stipendiat, Institutt for elektroniske systemer

    Stipendiat i Lab-on-a-chip biofotonisk sensor plattform for diagnostikk prosjektet. Ansvarlig for fotonisk sensordesign og fabrikasjon.

  • Michal Mielnik

    Michal Mielnik

    Forskningsleder, IKT, Mikrosystemer og Nanoteknologi (MiNaLab)

    Arbeidspakkeleder for WP3, Nanofluidisk design.

  • Bjørn Torger Stokke

    Bjørn Torger Stokke

    Professor, Institutt for fysikk

    Prosjektmedarbeider i LOC med vekt på WP2 (overflatemodifisering og biofunksjonalisering) og WP3 (nanofluidisk design)

  • Ingrid Haga Øvreeide

    Ingrid Haga Øvreeide

    Doktorgradsstipendiat, Institutt for fysikk

    Arbeider med produksjon og karakterisering av mikrofluidiske kanaler for Lab-on-a-Chip prosjektet, for effektiv transport av biomarkør til det aktive området

  • Mukesh Yadav

    Mukesh Yadav

    PhD Candidate, Institutt for elektroniske systemer

    PhD candidate for fabrication and characterization of Lab-on-a-chip biophotonic sensor platform.

  • Jong Wook Noh

    Jong Wook Noh

    Post Doc, Institutt for elektroniske systemer

    Development of Lab-on-a-chip biophotonic sensor platforms for diagnostics.